박막 트랜지스터의 알루미늄 산화물 유전체 층에 대한 양극 산화 매개변수의 영향
Summary
아연 산화물 박막 트랜지스터 (TIT)의 알루미늄 산화물 유전체 층의 성장을위한 양극 산화 매개변수는 전기 적 매개 변수 응답에 미치는 영향을 결정하기 위해 다양합니다. 분산 분석(ANOVA)은 Plackett-Burman 실험 설계(DOE)에 적용되어 최적화된 장치 성능을 초래하는 제조 조건을 결정합니다.
Abstract
알루미늄 산화물(Al2O3)은박막 트랜지스터 (TIT)의 유전체 층으로 사용하기에 특히 적합한 저렴한 비용, 쉽게 처리 및 높은 유전체 일정한 절연 재료입니다. 금속 알루미늄 필름의 양극 산화에서 알루미늄 산화물 층의 성장은 수성 연소 또는 분무 열분해와 같은 상대적으로 높은 온도 (300 ° C 이상)를 요구하는 원자 층 증착 (ALD) 또는 증착 방법과 같은 정교한 공정에 비해 크게 유리합니다. 그러나 트랜지스터의 전기적 특성은 양극 산화 처리된 유전체 층의 제조 파라미터에 의해 크게 영향을 받는 반도체/유전체 인터페이스에서 결함 및 국지상태의 존재에 크게 의존합니다. 여러 제작 파라미터가 가능한 모든 요인 조합을 수행하지 않고 장치 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 Plackett-Burman 실험 설계(DOE)를 기반으로 한 감소된 요인 분석을 사용했습니다. 이 DOE를 선택하면 256개의 가능성 대신 12개의 실험적인 요소 조합만 사용하여 최적화된 장치 성능을 얻을 수 있습니다. TFT 이동성과 같은 디바이스 반응에 미치는 영향에 의한 요인의 순위는 얻어진 결과에 분산(ANOVA)의 분석을 적용함으로써 가능하다.
Introduction
유연하고 인쇄된 대형 전자 장치는 향후 수십억 달러의 투자를 유치할 것으로 예상되는 신흥 시장을 나타냅니다. 차세대 스마트폰, 평면 패널 디스플레이 및 사물 인터넷(IoT) 장치에 대한 하드웨어 요구 사항을 달성하기 위해 속도와 높은 성능을 희생하지 않으면서 가시 스펙트럼에서 가볍고 유연하며 광학 송신이 가능한 소재에 대한 수요가 매우 많습니다. 핵심은 현재 대부분의 활성 매트릭스 디스플레이(AmD)의 구동 회로에 사용되는 박막 트랜지스터(TT)의 활성 물질로서 비정질 실리콘(a-Si)에 대한 대안을 찾는 것입니다. a-Si는 유연하고 투명한 기판과의 호환성이 낮고, 대면적 처리에 한계를 제시하며, 차세대 디스플레이에-1대한 해상도 및 새로 고침 빈도의 요구를 충족할 수 없는 약 1cm2∙V-1 ∙1의캐리어 이동성을 가지고 있습니다. 산화 아연 (ZnO)1,2,,3,인듐 산화 아연2(IZO)4,,5 및 인듐 갈륨 산화 아연 산화물 (IGZO)6,,7과 같은 반도체 금속 산화물 (SMO)은 가시 스펙트럼에서 매우 투명하기 때문에 TT의 활성 층으로 A-Si를 대체 할 수있는 좋은 후보입니다. 유연한 기판 및 넓은 면적 증착에 호환되며 80cm2∙V -1 ∙1의높은 동원을 달성 할 수 있습니다. 또한, SMO는 RF 스퍼터링6, 펄스 레이저 증착(PLD)8,화학증기 증착(CVD)9,원자층 증착(ALD)10,스핀 코팅11,잉크젯 프린팅12 및 분무 열분해13등 다양한 방법으로 처리될 수 있다.
그러나 SMO 기반 TIT를 포함하는 회로의 대규모 제조를 가능하게 하기 위해 본질적인 결함, 공기/UV 자극 불안정성 및 반도체/유전체 인터페이스 국소 형성과 같은 몇 가지 과제는 여전히 극복해야 합니다. 고성능 TGT의 원하는 특성 중 하나는 게이트 유전체 (및 반도체 / 절연체 인터페이스)에 매우 의존하는 낮은 전력 소비, 낮은 작동 전압, 낮은 게이트 누설 전류, 임계 전압 안정성 및 광대역 주파수 작동을 언급 할 수 있습니다. 이러한 의미에서, 고θ 유전체 재료14,,15,,16은 상대적으로 얇은 필름을 사용하여 단위 면적당 커패시턴스와 낮은 누설 전류의 큰 값을 제공하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 알루미늄 산화물(Al2O3)은높은 유전체 상수 (8 ~ 12), 높은 유전체 강도, 높은 전기 저항성, 높은 열 안정성을 제시하기 때문에 TFT 유전체 층의 유망한 재료이며 여러 가지 증착 / 성장 기술15,17,,,18,,19,,20, 21에의해 매우 얇고 균일 한 필름으로 처리 될 수 있습니다.20, 또한, 알루미늄은 지구 지각에서 세 번째로 가장 풍부한 원소이며, 이는 고k 유전체를 생산하는 데 사용되는 다른 원소에 비해 쉽게 사용할 수 있고 상대적으로 저렴하다는 것을 의미합니다.
Al2O3 박막(100nm 이하)의 증착/성장은 RF 마그네트론 스퍼터링과 같은 기술로 성공적으로 달성될 수 있지만, 화학 기증기 증착 (CVD), 원자 층 증착 (ALD), 얇은 금속 Al 층17,,18,21,,22,,23,,24,,25,,26의 양극에 의한 양극 산화에 의한 성장은 나노 미터 규모의 단순성, 저비용, 저온 및 필름 두께 제어로 인해 유연한 전자 제품에 특히 흥미롭습니다., 게다가, 양극 산화는 롤 투 롤 (R2R) 처리에 대한 큰 잠재력을 가지고, 이는 쉽게 빠른 제조 업 스케일링을 허용, 산업 수준에서 이미 사용되는 처리 기술에서 적용 할 수 있습니다.
금속 Al의 양극 산화에 의한Al2O3 성장은 다음 방정식으로 설명할 수 있습니다.
2Al + 3 / 2 02 → 알2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
여기서 산소는 전해질 용액 또는 필름 표면에 흡착 된 분자에 의해 용존 산소에 의해 제공되는 반면, 물 분자는 전해질 용액에서 즉시 사용할 수 있습니다. 양극 산화 필름 거칠기 (반도체 / 유전체 인터페이스에서 캐리어 산란으로 인한 TFT 이동성에 영향을 미치는) 및 반도체 / 유전체 인터페이스에서 국부적 인 상태의 밀도 (TFT 임계 전압 및 전기 히스테리시스에 영향을 미치는)는 양극 산화 처리 매개 변수에 크게 의존합니다 : 수분 함량, 온도 및 전해질,24의pH.24 Al 층 증착(예: 증발 속도 및 금속 두께)이나 양극 산화 후 공정(예: 어닐링)과 관련된 다른 요인도 제조된 TGT의 전기적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 응답 매개 변수에 대한 이러한 여러 요인의 효과는 다른 모든 요소를 일정하게 유지하면서 각 요소를 개별적으로 변화시켜 연구할 수 있으며, 이는 매우 시간이 많이 걸리고 비효율적인 작업입니다. 실험의 설계(DOE)는, 다중 파라미터의 동시 변동에 기초한 통계적 방법이며, 이는 상대적으로 감소된 실험수(28)를이용하여 시스템/디바이스 성능 반응에서 가장 중요한 인자를 식별할 수 있도록 한다.
최근에는 Plackett-Burman29 DOE를 기반으로 다변량 분석을 사용하여 스퍼터드 ZnO TfTs18의성능에 대한 Al2O3 양극 진화 파라미터의 효과를 분석했습니다. 결과는 여러 가지 다른 응답 파라미터에 대한 가장 중요한 요인을 찾아 내고 유전체 층의 양극 산화 처리 과정과 관련된 파라미터만을 변경하는 장치 성능의 최적화에 적용되었다.
현재 의 작품은 양극 산화 Al2O3 필름을 게이트 유전체로 사용하여 TFT 제조를 위한 전체 프로토콜을 제시하고, Plackett-Burman DOE를 사용하여 장치 전기 성능에 대한 다중 양극 산화 매개변수의 영향에 대한 연구에 대한 자세한 설명을 제시한다. 캐리어 이동성과 같은 TFT 응답 파라미터에 대한 영향의 유의성은 실험으로부터 얻은 결과에 대한 분산(ANOVA)의 분석을 수행함으로써 결정된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
유전체를 얻기 위해 사용되는 양극 산화 처리는 모든 기하학적 파라미터와 활성의 제조 파라미터를 일정하게 유지하면서 제작된 TT의 성능에 큰 영향을 미칩니다. TFT의 가장 중요한 성능 파라미터 중 하나인 TFT 이동성의 경우 표 I에서 제공하는 범위의 제조 계수를 변경하여 2배 이상의 크기가 달라질 수 있습니다. 따라서 양극 산화 처리 된 Al2O3 게이트 유전체를 포함하는 장치를 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 상파울루 연구 재단에서 재정 지원을 인정 – FAPESP – 브라질 (보조금 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 및 14/13904-8) 및 왕립 공학 아카데미에서 연구 협력 프로그램 뉴턴 기금. 저자는 또한 B. F. 다 실바, J.P. 브라가, J.B. 칸투아리아, G.R. 데 리마 와 G.A. 드 리마 소브린호와 교수 마르셀로 드 카르발호 보르바의 그룹 (IGCE / UNESP)의 기술 지원을 인정 촬영 장비를 제공하기위한.
Materials
| Acetone | LabSynth | A1017 | ACS reagent grade |
| Aluminum (Al) Wire Evaporation | Kurt J. Lesker Company | EVMAL40060 | 1.5 mm (0.060") Dia.; 1lb; 99.99% |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma Aldrich | 338818 | ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis |
| Chemoface – Software to set a design of experiment (DOE) | Federal University of Lavras (UFLA), Brazil | Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil – http://www.ufla.br/chemoface/ | |
| Cleaning detergent | Sigma Aldrich | Alconox | Alkaline detergent for substrate cleaning |
| Ethylene glycol | Sigma Aldrich | 102466 | ReagentPlus, ≥99% |
| Isopropanol | LabSynth | A1078 | ACS reagent grade |
| Glass substrates | Sigma Aldrich | CLS294775X50 | Corning microscope slides, plain |
| L-(+)-Tartaric acid | Sigma Aldrich | T109 | ≥99.5% |
| Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer | Lasertools, Brazil | custom mask | 10 mm x 10 mm square. |
| Mechanical shadow mask for TFT gate electrode | Lasertools, Brazil | custom mask | 25 mm long stripe, 3 mm wide. |
| Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes | Lasertools, Brazil | custom mask | 100 µm stripes, separated by 100 µm gap, overlapping of 5 mm |
| Plasma cleaner | MTI | PDC-32G | Campact plasma cleaner with vacuum pump |
| Sputter coating system | HHV | Auto 500 | RF sputtering system with thickness and deposition rate control |
| Stiring plate | Sun Valley | MS300 | Stiring plate with heating control |
| Thermal evaporator | HHV | Auto 306 | it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2410 | Keithley model 2410 or similar/for anodization process |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2612B | Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements |
| Ultrasonic bath | Soni-tech | Soni-top 402A | Ultrasonic bath with heating control |
| Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets | Kurt J. Lesker Company | EJTZNOX304A3 | 3.0" Dia. x 0.250" Thick; 99.9% |
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